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典型种植制度下长期施肥对土壤微生物群落多样性的影响

裴雪霞  
【摘要】: 微生物有机体,尤其是细菌和真菌,在提供植物养分中起着重要作用,因此,微生物群落的变化可以用来指示土壤质量。由于某些土壤生物学参数如微生物生物量和水解酶活性只能用于粗略的指示微生物特性,另一些生物化学和分子生态学方法如表征微生物功能多样性的磷脂脂肪酸(PLFA)组成,以及用于指示微生物结构多样性的DNA指纹技术(包括聚合酶链反应一变性梯度凝胶电泳,PCR-DGGE)的应用备受重视。 本论文选择了3个长期定位施肥试验,包括河北省辛集市石灰性潮土定位施肥(始于1979年,冬小麦-夏玉米轮作制度),湖北省武汉市黄棕壤性水稻土定位施肥(始于1981年,冬小麦-水稻轮作制度),和江西省进贤县的红壤性水稻土定位施肥(始于1981年,双季稻连作制度),研究了长期施肥对土壤微生物生物量、水解酶活性和微生物群落多样性的影响。三个定位施肥试验处理均为:(1)CK(不施肥),(2)单施氮肥(N),(3)氮磷肥配施(NP),(4)氮磷钾肥配施(NPK),(5)单施有机肥(M),(6)有机肥与NPK配施(NPKM)。应用PLFA谱图法和PCR-DGGE指纹技术进行了土壤微生物群落多样性分析。论文取得的主要进展如下: 1.作物产量。3种典型种植制度下,CK处理的作物籽粒产量均最低,NPK或NPKM处理产量最高。与CK相比,NPK和NPKM处理使石灰性潮土小麦分别增产577.1%和560.9%,玉米分别增产173.2%和170.4%,黄棕壤性水稻土小麦分别增产75.8%和167.6%,水稻分别增产11.1%和11.0%,红壤性水稻土早稻分别增产64.5%和112.5%,晚稻分别增产18.6%和35.5%。单施有机肥处理在石灰性潮土和黄棕壤性水稻土上也获得了较高产量。 2.土壤肥力。与CK和仅施化肥相比,3种典型种植制度下M和NPKM显著提高了土壤有机质、全氮、全磷、可溶性有机碳、NO3--N、速效磷和速效钾含量,降低了土壤C/N比。有机肥的施入显著减缓了石灰性潮土和黄棕壤性水稻土碱性化速度,红壤性水稻土处理间pH值差异不显著。 3.微生物量碳、氮和磷。红壤性水稻土和黄棕壤性水稻土上微生物量碳、氮和磷含量均高于石灰性潮土。3种典型种植制度下,土壤微生物量碳、氮和磷的变化趋势一致,均表现为NPKM, MNPK,NPN,CK,表明有机肥与化肥配施可提高土壤生物量碳、氮和磷含量。总体上土壤微生物量与有机质含量显著正相关。 4.水解酶活性。酸性磷酸酶和芳香基硫酸酯酶活性表现为红壤性水稻土黄棕壤性水稻土石灰性潮土,3种土壤上酸性磷酸酶和芳香基硫酸酯酶活性均表现为NPKM,MNPK,NP,N,CK;黄棕壤性水稻土和石灰性潮土蛋白酶和脲酶活性均高于红壤性水稻土,3种土壤中蛋白酶和脲酶活性均表现为NPKMMNPK,NP,N,CK;蔗糖酶和β,D-葡萄糖苷酶活性变化在3种土壤中均为NPKMMNPKNP,N,CK,且处理间有显著差异。酸性磷酸酶活性与土壤有机质和速效磷含量间显著正相关,蛋白酶和脲酶与土壤有机质和NO3--N含量显著正相关。 5.磷脂脂肪酸组成。PLFA总含量表现为红壤性水稻土黄棕壤性水稻土石灰性潮土,3种土壤中PLFA总含量均表现为NPKM, MNPK,NP, N,CK。红壤性水稻土真菌含量和真菌/细菌比值均高于黄棕壤性水稻土和石灰性潮土。M和NPKM提高了黄棕壤性水稻土和石灰性潮土细菌脂肪酸i16:0和i19:0,真菌脂肪酸18:1ω9和AM菌根16:1ω11的含量,红壤性水稻土上仅提高了细菌脂肪酸16:0和AM菌根16:1ω11的含量;NP和NPK提高了3种土壤G-菌18:1ω5和放线菌17:0(10Me)的含量。主成分分析也证明,有机肥和化肥对土壤微生物群落结构影响显著不同。PLFA总量与土壤有机质、全磷和速效磷含量间呈显著正相关,真菌/细菌比值与水稻土速效钾含量间呈显著正相关。 6.土壤细菌和氨氧化细菌多样性。DNA含量和细菌多样性指数(H)均表现为:黄棕壤性水稻土石灰性潮土红壤性水稻土。与单施化肥和CK相比,NPKM和M提高了3种土壤细菌和氨氧化细菌的多样性。DGGE条带序列分析表明,石灰性潮土和黄棕壤性水稻土优势细菌分别为变形杆菌(proteobacterium)和农杆菌(Agrobacterium),优势氨氧化细菌为β-变形菌纲的亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)和亚硝化螺旋菌(Nitrosospira);红壤性水稻土优势细菌为酸性菌(Acidobacterium)。与CK相比,NPKM和M增加了石灰性潮土变形杆菌、亚硝化单胞菌的数量,增加了黄棕壤性水稻土亚硝化螺旋菌的数量。


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